[發(fā)明專(zhuān)利]一種激光脈沖開(kāi)關(guān)裝置及其控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510642183.1
• 申請(qǐng)日: 2015-09-30
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105186279B
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-02-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙研英;廖慶;顏學(xué)慶;馬文君;盧海洋;林晨;耿易星;李榮鳳
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 北京大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H01S3/10
• 分類(lèi)號(hào): H01S3/10;H01S3/0955
• 代理公司: 北京萬(wàn)象新悅知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)11360
• 代理人: 王巖

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及高能粒子加速技術(shù)，尤其涉及一種激光脈沖開(kāi)關(guān)裝置及其控制方法。

背景技術(shù)

啁啾激光脈沖放大系統(tǒng)(CPA)提出后，激光器的峰值功率飛躍發(fā)展，激光脈沖峰值功率可達(dá)數(shù)PW(10¹⁵W)，激光脈沖的光強(qiáng)可達(dá)10²²W/cm2。這類(lèi)強(qiáng)場(chǎng)激光脈沖被廣泛應(yīng)用于激光與靶的相互作用中。尤其激光脈沖與靶場(chǎng)相互作用時(shí)，由于激光脈沖與靶場(chǎng)作用后，激光將破壞掉靶，因此在下一發(fā)激光脈沖與靶場(chǎng)作用時(shí)，需要重新更換靶，這使得激光脈沖與靶場(chǎng)作用時(shí)，往往希望激光脈沖能夠被人為控制地實(shí)現(xiàn)單發(fā)激射。然而實(shí)際激光器是有一定重復(fù)頻率的，目前在百太瓦(TW)和拍瓦(PW)激光器的重復(fù)頻率多在0.1到10Hz，這樣的重復(fù)頻率激光器無(wú)法直接與靶場(chǎng)作用。激光與靶場(chǎng)作用需要激光單發(fā)激射，為了實(shí)現(xiàn)百TW或PW激光系統(tǒng)的單發(fā)激射，需要在激光系統(tǒng)中加入開(kāi)關(guān)，當(dāng)開(kāi)關(guān)人為打開(kāi)時(shí)，此時(shí)激光輸出一個(gè)脈沖與靶相互作用，由此激光器實(shí)現(xiàn)單發(fā)激射。

常見(jiàn)的CPA技術(shù)如圖1所示，一個(gè)振蕩器產(chǎn)生超短脈沖(脈沖寬度通常為皮秒或飛秒量級(jí))作為種子源，經(jīng)過(guò)展寬器對(duì)脈沖進(jìn)行時(shí)間展寬后獲得長(zhǎng)脈沖(脈寬長(zhǎng)度幾十皮秒到納秒量級(jí)，具體展寬后的脈寬長(zhǎng)度取決于最終需要放大的能量)，利用放大器系統(tǒng)對(duì)已經(jīng)展寬的長(zhǎng)脈沖進(jìn)行能量放大獲得高能量脈沖，高能量脈沖最后通過(guò)壓縮器將脈沖的時(shí)間尺度壓縮到最小(回到種子源的脈寬量級(jí))從而獲得高峰值功率的強(qiáng)場(chǎng)激光脈沖。對(duì)于脈寬為25fs的百TW量級(jí)的激光，需要將種子源放大到幾個(gè)焦耳，然而常用的種子源的能量通常為nJ量級(jí)，1個(gè)放大器無(wú)法實(shí)現(xiàn)激光脈沖能量的放大，通常是利用多個(gè)放大器將激光脈沖逐步放大，對(duì)于PW激光亦是如此，需要多個(gè)放大器實(shí)現(xiàn)激光脈沖能量放大。

對(duì)于激光器的放大器系統(tǒng)而言，通常為了讓激光器穩(wěn)定，放大器系統(tǒng)設(shè)置如圖2，種子源首先通過(guò)一個(gè)KHz激光器放大到mJ量級(jí)，然后利用普克爾盒將KHz激光脈沖頻率降低為Hz量級(jí)，再利用多個(gè)多通放大器進(jìn)一步對(duì)激光脈沖能量放大。考慮到激光脈沖的損傷能量，激光脈沖能量越高，光斑尺寸越大，所以，如果在KHz激光器放大后加入開(kāi)關(guān)可實(shí)現(xiàn)單發(fā)，并且開(kāi)關(guān)的口徑也較小，但是后面的多通放大沒(méi)有種子光將泵浦能量萃取，激光器的熱效應(yīng)等將和激光器在按一定重復(fù)頻率是不同的，此時(shí)單發(fā)運(yùn)轉(zhuǎn)激光將損害激光的穩(wěn)定性。如果在放大器系統(tǒng)之后加入開(kāi)關(guān)，可以避免損害激光穩(wěn)定性，但是此時(shí)光斑尺寸太大，對(duì)于百TW激光器，尺寸都在數(shù)十mm，這樣的開(kāi)關(guān)價(jià)格昂貴，自己制作困難，并且大口徑開(kāi)關(guān)由于用在能量較高的位置，所以在關(guān)閉瞬間帶來(lái)的回光對(duì)百TW激光器存在巨大危害。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種激光脈沖開(kāi)關(guān)裝置及其控制方法，實(shí)現(xiàn)了激光脈沖的單發(fā)激射。

本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種激光脈沖開(kāi)關(guān)裝置。

本發(fā)明的激光脈沖開(kāi)關(guān)裝置，設(shè)置在啁啾激光脈沖放大系統(tǒng)中，啁啾激光脈沖放大系統(tǒng)包括：振蕩器、展寬器、放大器系統(tǒng)和壓縮器；其中，振蕩器產(chǎn)生超短激光脈沖作為種子源，經(jīng)過(guò)展寬器對(duì)超短激光脈沖進(jìn)行時(shí)間展寬后獲得長(zhǎng)激光脈沖，放大器系統(tǒng)對(duì)已經(jīng)展寬的長(zhǎng)激光脈沖進(jìn)行能量放大獲得高能量激光脈沖，高能量激光脈沖最后通過(guò)壓縮器將激光脈沖的時(shí)間尺度壓縮到種子源的脈寬量級(jí)；放大器系統(tǒng)包括KHz放大器、普克爾盒和多通放大器組，兩個(gè)泵浦源分別為KHz放大器和多通放大器組提供泵浦光，來(lái)自展寬器的長(zhǎng)激光脈沖作為主光，經(jīng)過(guò)KHz放大器放大后，由普克爾盒降低頻率，進(jìn)入多通放大器組，對(duì)主光能量進(jìn)行放大；激光脈沖開(kāi)關(guān)裝置包括：激光同步信號(hào)發(fā)生器、延遲器、第一開(kāi)關(guān)和第二開(kāi)關(guān)；其中，第一開(kāi)關(guān)設(shè)置在普克爾盒之后，多通放大器組之前，或者放置在多通放大器組中；第二開(kāi)關(guān)放置在多通放大器組之后，靶場(chǎng)之前；第一開(kāi)關(guān)為小口徑的高速開(kāi)關(guān)，第二開(kāi)關(guān)為大口徑的慢速開(kāi)關(guān)；當(dāng)?shù)谝婚_(kāi)關(guān)打開(kāi)，第二開(kāi)關(guān)關(guān)閉，后續(xù)的靶場(chǎng)沒(méi)有激光脈沖；關(guān)閉第一開(kāi)關(guān)，打開(kāi)第二開(kāi)關(guān)，激光同步信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生激光同步信號(hào)輸入至延遲器，延遲器產(chǎn)生一個(gè)延遲的晶體管-晶體管邏輯TTL數(shù)字信號(hào)，作為觸發(fā)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)第一開(kāi)關(guān)打開(kāi)，并且在一個(gè)激光脈沖信號(hào)輸出至后續(xù)的靶場(chǎng)后，第一開(kāi)關(guān)關(guān)閉，觸發(fā)信號(hào)是單脈沖，第一開(kāi)關(guān)只打開(kāi)一次，實(shí)現(xiàn)激光脈沖單發(fā)激射。